Курс лекций по теме Детали машин и основы конструирования

Муфты приводов

Большинство машин и технологических систем состоит из отдельных узлов. Для обеспечения кинематической и силовой связей валы узлов соединяют муфтами.

Муфтой называют устройство для соединения концов валов или валов со свободно установленными на них деталями (зубчатыми колесами, шкивами и т.д.). Муфты передают вращающий момент без изменения его значения и направления. Некоторые типы муфт дополнительно могут способствовать снижению в машинах вредных нагрузок, предохранять от перегрузок, включать и выключать исполнительный элемент машины без останова двигателя.

По управляемости муфты приводов разделяют на (рис. 88): неуправляемые (нерасцепляемые), управляемые (сцепные), самоуправляемые (автоматического действия).

Неуправляемые (нерасцепляемые) муфты осуществляют постоянное соединение валов между собой. Длинные валы по условиям изготовления и транспортирования делают составными, соединяя отдельные части некомпенсирующими (глухими) муфтами.

Вследствие неточностей изготовления и монтажа, деформаций при передаче нагрузки неизбежно относительное смещение соединяемых валов. Для снижения вредных нагрузок на валы вследствие их смещения применяют компенсирующие муфты: жесткие или упругие. Упругие муфты способны также сглаживать динамические нагрузки (толчки, удары и вибрацию) вследствие наличия металлических или неметаллических упругих элементов (стальных пружин, стержней, резиновых втулок, диска, шайбы, оболочки).

Управляемые (сцепные) муфты допускают с помощью механизма управления сцепление и расцепление вращающихся или неподвижных валов. По принципу работы различают муфты с профильным замыканием (кулачковые, зубчатые) и фрикционные По форме поверхности трения фрикционные муфты делят на дисковые, конусные и цилиндрические.

Самоуправляемые муфты автоматически разъединяют валы при изменении заданного режима работы машины. Для предохранения машины от перегрузок, вызванных технологическим процессом или неправильной эксплуатацией, служат предохранительные муфты Для обеспечения плавного пуска машин с большими ускоряемыми массами применяют центробежные муфты. Передачу момента и вращения только в одном направлении обеспечивают автоматически срабатывающие обгонные муфты (муфты свободного хода).

Расчетный момент. Основной характеристикой муфт является передаваемый вращающий момент Т. На рис. 89 представлено возможное изменение во времени вращающего момента на одном из валов машины.

Рисунок 89 – Изменение во времени вращающего момента

Муфты подбирают по стандартам, ведомственным нормалям, каталогам или проектируют по расчетному моменту:

, (127)

где К – коэффициент режима работы муфты, учитывающий условия эксплуатации (тип двигателя, переменность нагрузки, тип машины);

Тном – номинальный вращающий момент (наибольший из длительно действующих).

В приводах от электродвигателя принимают следующие значения коэффициента режима работы:

при спокойной работе и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных установок и др.) К = 1,15...1,4;

при переменной нагрузке и средних разгоняемых массах (металлорежущие станки, поршневые компрессоры и др.) К= 1,5...2;

при ударной нагрузке и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты и др.) К= 2,5...3.

Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Tр. Расчеты на прочность муфт включают также расчеты шпоночных или шлицевых соединений, используемых для передачи вращающего момента между валами и полумуфтами.

Для предохранения машин от разрушения при возможных значительных перегрузках (действии пикового момента Тпик) устанавливают предохранительные муфты. Во избежание случайных выключений эти муфты рассчитывают по предельному моменту:

, (128)

где Tmax – наибольший передаваемый момент при нормальной работе, обычно равный пусковому моменту Tпуск (Tmах = Tпуск).

Глухие муфты. Глухие муфты предназначены для жесткого постоянного соединения соосных валов. Из различных видов глухих муфт наибольшее распространение получили втулочные и фланцевые муфты. Втулочная муфта представляет собой втулку, насаживаемую на цилиндрические концы валов (рис. 90). Соединение втулки с валами – штифтовое. Помимо исполнения со штифтами втулку изготовляют с пазом для призматической или сегментной шпонки, со шлицевым посадочным отверстием.

Рисунок 90 – Втулочная муфта

Применяют для передачи вращающего момента от 1 до 4500 Н·м для валов диаметром от 6 до 100 мм. Муфту характеризуют простота конструкции и изготовления, низкая стоимость, особо малый габарит по диаметру, небольшой маховой момент. Недостатком муфты является неудобный монтаж, связанный со значительным осевым смещением соединяемых узлов, что не позволяет применять в сопряжении вал-втулка посадку с натягом. Поэтому невозможно обеспечить высокую изгибную жесткость соединения валов. Материал втулки — сталь марки 45.

Прочность муфты определяют: прочность штифтового, шпоночного или шлицевого соединения, а также прочность втулки (см. расчеты соответствующих соединений).

Втулочные муфты стандартизованы.

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 с фланцами, стягиваемыми болтами (рис. 91), одна половина из которых для обеспечения соосности полумуфт и восприятия поперечных сил установлена без зазора (4) в отверстия из–под развертки, а вторая – с зазором (3).

Необходима строгая соосность соединяемых валов и перпендикулярность торцовых поверхностей полумуфт осям валов, в противном случае неизбежны изгиб вала, его биение и появление дополнительных нагрузок на опоры.

Полумуфты имеют два исполнения: для соединения цилиндрических и конических концов валов.

Рисунок 91 – Фланцевая муфта

Фланцевые муфты просты по конструкции, упрощают монтаж узлов, обеспечивают беззазорное соединение валов, могут передавать вращающие моменты от 16 до 40 000 Н·м при диаметре вала d= 11...250мм. Материал полумуфт – стали марок 40Л или 35Л.

Если фланцы полумуфт стянуты только болтами 3, поставленными с зазором, то вращающий момент передают силы трения, возникающие в стыке полумуфт от затяжки болтов. Расчет сводится к определению диаметра болта по потребной силе затяжки:

, (129)

где Тр – расчетный вращающий момент, Н·м;

С – коэффициент запа­са по несдвигаемости, С =1,2...1,5;

Dcp – средний диаметр кольцевой поверхности трения, мм:

, (130)

z – число болтов;

f – коэффициент трения, обычно f=0,15...0,2.

При установке болтов 4 без зазора ("под развертку") расчет ведут в предположении, что весь передаваемый момент воспринимают эти болты, работающие на срез. Сила, стремящаяся срезать один болт, Н:

, (131)

где D0 – диаметр окружности расположения осей болтов, мм (рис. 91).

Фланцевые муфты стандартизованы.

Смещения валов. Жесткие компенсирующие муфты. Обычно машины выполняют из отдельных узлов или агрегатов (рис. 92). Взаимная установка таких узлов не может быть идеально точной вследствие погрешностей изготовления и монтажа, особенностей конструкции узлов и деформаций валов при работе. Иногда узлы приходится устанавливать на деформируемом основании, например, на раме автомобиля.

Рисунок 92 – Привод, состоящий из нескольких отдельных узлов

Различают следующие возможные смещения соединяемых валов (рис. 93):

радиальное Dr (а);

угловое g (б);

осевое Da (в).

На практике чаще встречается комбинация указанных отклонений. Так, при установке двух узлов (например, электродвигателя 1 и редуктора 2, рис. 92) на общем основании (плите, раме 3) точность относительного расположения соединяемых муфтой валов определяют все три возможных смещения.

Рисунок 93 – Виды смещения валов

При соединении глухими муфтами неточно расположенные валы принудительно приводят к единому целому путем деформирования самих валов и их опор. Валы и опоры при этом нагружены дополнительными силами и моментами, которые могут намного превосходить по значению полезные нагрузки. Избежать дополнительного нагружения при соединении глухими муфтами можно только при высокой точности относительного расположения валов.

Применение компенсирующих муфт позволяет понизить требования к точности расположения валов и уменьшить дополнительные нагрузки на валы и опоры. Компенсацию отклонений от номинального положения достигают: в жестких компенсирующих муфтах – подвижностью жестких деталей; в упругих муфтах – деформированием упругих деталей.

Среди жестких компенсирующих муфт наиболее распространены зубчатые.

Зубчатая муфта состоит из двух втулок–полумуфт 1 с внешними зубьями эвольвентного профиля, зацепляющимися с внутренними зубьями обойм 2 (рис. 94,а). Обоймы соединяют между собой болтами 3, поставленными без зазора в отверстия из–под развертки. Обоймы центрируют по вершинам зубьев втулок. Втулки изготовляют с отверстиями для цилиндрических и конических концов валов. Материал втулок и обойм – стали марок 40 или 45Л.

Зубчатые муфты компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении (рис. 94,б), торцовых зазоров d и обточки зубьев втулок по сфере радиусом R (рис. 94,а), бочкообразного профиля зуба втулки (рис. 94,в).

Компенсацию смещений валов сопровождает относительный перекос осей втулок и обойм (рис. 94,г,д), а следовательно, скольжение зубьев. Угол перекоса g оси каждой втулки относительно оси обоймы допускают до 1°30'.

Основным критерием работоспособности муфты является износостойкость зубьев. Для повышения износостойкости зубья закаливают до твердости 42...51HRC. Зубчатые сопряжения муфт работают в масляной ванне. Масло марки И–Г–С–68 заливают через отверстие в обойме. Для герметизации муфт применяют уплотнения – резиновые армированные манжеты.

Рисунок 94 – Зубчатая муфта

Зубчатые муфты вследствие большого числа одновременно зацепляющихся зубьев имеют высокую нагрузочную способность при малых размерах, их применяют для передачи вращающего момента от 1000 до 63000 Н·м между горизонтальными валами диаметром d =40...200мм при окружных скоростях на зубьях до 25 м/с.

Расчетный момент для зубчатой муфты:

, (132)

где Tном – номинальный вращающий момент;

K1– коэффициент, учитывающий степень ответственности привода (если поломка муфты может привести к останову машины, то K1= 1; аварии машины K1= 1,2; человеческим жертвам – K1= 1,8);

К2 – коэффициент, учитывающий условия работы (при спокойной работе К2=1; при неравномерной работе К2=1,2; при тяжелой работе с ударами К2=1,5);

K3– коэффициент, учитывающий угловое смещение (K3=1 при угле перекоса осей втулки и обоймы g≤0,25°; K3=1,25 при g≤0,5°; K3=1,5 при g≤1,0°; K3=1,75 при g≤1,5°).

Зубчатые муфты стандартизованы.

Зубчатые муфты подбирают по условию:

, (133)

где Т – вращающий момент по таблицам стандарта.

При компенсации муфтой смещений на концы валов действует радиальная сила:

, (134)

где Тр – расчетный момент, Н·м;

dм – делительный диаметр зубчатого соединения муфты, мм (рис. 94,а).

Основные свойства упругих муфт. В упругих муфтах вращающий момент с одной полумуфты на другую передают через упругий элемент: неметаллический (резиновый, полиуретановый) или стальной. Упругая связь полумуфт позволяет компенсировать смещения валов, снизить ударные нагрузки за счет аккумулирования и рассеяния энергии упругими элементами, изменить жесткость всей механической системы в целях предотвращения появления резонансных колебаний.

Деформирование упругого элемента происходит вследствие относительного упругого поворота полумуфт при передаче вращающего момента, а также вследствие взаимного перемещения полумуфт, вызываемого компенсированием смещений соединяемых валов.

Основные характеристики упругих муфт – жесткость при кручении и демпфирующая способность.

Муфты бывают постоянной и переменной жесткости. В муфтах с постоянной жесткостью зависимость угла j закручивания муфты от передаваемого вращающего момента Т – линейная (прямая 1, рис. 95). Под жесткостью С в этом случае понимают отношение момента к углу закручивания муфты С=Т/j . Различают муфты переменной жесткости с жесткой 2 или с мягкой 3 характеристикой. Жесткость муфт с нелинейной характеристикой оценивают производной С=dТ/dj в конкретной точке характеристики.

Переменной жесткостью обладают муфты с неметаллическими упругими элементами, материалы которых (резина, полиуретан) не подчиняются закону Гука, а также муфты с металлическими упругими элементами, переменные условия деформирования которых задают конструкцией.

Рисунок 95 – Характеристика муфт в зависимости от их жесткости

От характеристики жесткости упругой муфты зависит способность машины работать без резонанса колебаний. Предположим, что работа в точке А (рис. 95) муфты с переменной жесткостью соответствует условиям резонанса – совпадению частот собственных и вынужденных колебаний. При этом возрастает амплитуда DT момента и максимальные значения Т и j соответствуют точке В. Но в точке В муфта имеет другую жесткость и, следовательно, другую собственную частоту колебаний, которая уже не совпадает с частотой вынужденных колебаний. Таким образом, в муфте с переменной жесткостью не происходит катастрофического роста амплитуд момента.

Под демпфирующей способностью муфты понимают ее способность рассеивать, т.е. превращать в теплоту энергию при деформировании. Рассеяние энергии происходит вследствие внешнего трения на поверхности упругих элементов и внутреннего трения в их материале. В муфтах со стальными упругими элементами превалирует внешнее трение, в муфтах с неметаллическими упругими элементами – внутреннее трение.

Расчетный момент Тр для упругих муфт в точных расчетах вычисляют с учетом моментов инерции соединяемых масс, жесткостей и демпфирования в машинах.

Рекомендуемая литература

1. Гузенков П.Г. Детали машин. – М.: Высшая школа,1986.

2. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. – М.: Высшая школа, 2001.

3. Иванов М.Н. Детали машин. – М.: Высшая школа, 1991.

4. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. – М.: Машиностроение, 2004.

5. Решетов Д.Н. Детали машин. – М.: Машиностроение, 1989.

На главную